GOSy_teoria_2013

99.Дисперсионное топливо и его свойства.

Вдисперсионном топливе топливная фаза дисперсионно распределена в неактивной матрице. Каждую частицу ядерного горючего можно рассматривать как микроэлемент, в котором роль оболочки играет матрица. В качестве диспергированого горючего могут быть использованы керамические материалы, высокая температура плавления и стойкость при облучении которых сочетаются с прочностью, пластичностью и высокой теплопроводностью матрицы. Процессы деления и возникающие при этом радиационные повреждения сосредотачиваются в топливной части, диспергированой в матрице. Сама же матрица будет находиться в основном под действием нейтронов, радиационные повреждения от которых не столь велики, как от действия осколков деления. Однако часть матрицы, соприкасающаяся с ядерным горючим, также будет повреждена осколками деления. Глубина зоны повреждения не зависит от размера диспергированых частиц и равна длине пробега осколков деления в матрице. Для прочности дисперсной системы большое значение имеет соотношение размеров повреждённой и неповреждённой частей матрицы. При постоянном соотношении топливной части и матрицы размер диспергированых частиц может быть различен. Чем мельче зёрна топливных частиц, тем значительней их поверхность и тем больше зона повреждения матрицы. В качестве матрицы используют Al, Be, Mg, Zr, Nb, W, нержавеющую сталь. В качестве дисперсной топливной фазы служат различные соединения урана, интерметаллиды его с алюминием, бериллием, окислы, карбиды, нитриды урана и других делящихся материалов. Для увеличения радиационной стойкости дисперсионного горючего расстояние между диспергированными частицами должно быть больше удвоенной длины пробега осколков деления. Дисперсионное ядерное горючее должно быть совместимым с материалом матрицы в процессе изготовления и в рабочих условиях, иметь достаточную прочность, равномерно распределяться по матрице.

Материал матрицы должен обладать высокими прочностью и пластичностью, чтобы противостоять распуханию диспергированных частиц горючего при накоплении в них твёрдых продуктов деления и сдерживать давление газообразных продуктов деления без разрушения, хорошей теплопроводностью, не иметь структурных превращений во всём диапазоне рабочих температур, быть коррозионно-стойким к теплоносителю и совместимым с материалом оболочки ТВЭЛа.

151

100. Достоинства и недостатки газовых теплоносителей.

Газовые теплоносители нашли достаточно широкое применение в ядерных энергетических установках. Применение их в одноконтурном цикле упрощает схему установки. Захват тепловых нейтронов газовыми теплоносителями невелик, что позволяет применить их в реакторах на природном уране. Нежелательным свойством газовых теплоносителей является низкое значение плотности, объёмной теплоёмкости и коэффициента теплопроводности. Последние обстоятельства требует прохождения через реактор значительных объёмов газа, что усложняет и удорожает установку, требуют больших затрат электроэнергии на прокачку теплоносителя. Для улучшения теплопередающих свойств и уменьшения затрат на прокачку теплоноситель используют под давлением в несколько мегапаскалей, что также усложняет конструкцию и эксплуатацию контура.

Достоинства: 1) низкое сечение поглощения, отсутствие активации. 2) высокая терморадиационная стойкость. 3) дешевизна и доступность. 4) слабые коррозионные и эрозионные свойства.

Недостатки: 1) низкая теплопроводность и теплоёмкость. 2) высокое давление и скорость прокачки. 3) большая прокачка.

Газовый т/н единственный теплоноситель для создания одноконтурного ЯР с высоким КПД, чем выше температура газа, тем выше качество энергии. Воздух: +)дешевизна и доступность.

-) большое сечение активации = 1,7 барна.

СО2: +) низкое сечение поглащения = 0,000034 барна, при нормальном давлении он не разлагается под действием температуры и радиации, наибольшая среди газов плотность и объёмная теплоёмкость -) при высоком давлении происходит диссоциация, продукты распада и сам СО2 реагируют с углеродом.

Гелий: +) на гелии возможен прямой турбинный цикл, способен выдерживать высокие температуры что позволяет получать КПД до 50 %, давление и температура гелия не влияют на ядернофизические процессы в реакторе.

-) редкость, дороговизна, при высоких температурах обладает сверхтекучестью, кроме некоторых материалов и специальных стёкол гелий проходит сквозь любые препятствия.

101. Жидкометаллические теплоносители и их свойства.

ЖМТ могут быть использованы в реакторах на быстрых и тепловых нейтронах. В БР применение воды в качестве т/н нецелесообразно, т.к. вода замедляет нейтроны. У ЖМТ отсутствует зависимость температуры от давления, что позволяет создавать высокотемпературные контуры при низком давлении. ЖМТ не подвержены радиолизу. ЖМТ имеют большую

152

теплопроводность. Недостатком ЖМТ является малая в сравнении с водой объёмная теплоёмкость, но зато обладают большей теплопроводностью, а следовательно и лучше отводят тепло что особенно важно в быстрых реакторах. Некоторые ЖМТ вступают в бурную реакцию с водой. ЖМТ при комнатной температуре находятся в твёрдой фазе.

Наименьшее сечение захвата нейтронов имеют Bi, Pb, Na, Ga. В этом смысле они наиболее пригодны для тепловых реакторов. Наиболее перспективными для быстрых реакторов являются Hg, Li, Na.

Применение ЖМТ позволяет повысить КПД ЯЭУ, благодаря ряду преимуществ.

Преимущества: высокая температура кипения, при низком давлении паров, т.е возможны высокотемпературные контуры с низким давлением а следовательно и малыми габаритами, хорошая теплопроводность при высокой теплоёмкости, термическая и радиационная стойкость, ЖМТ не замедляют нейтронов.

Недостатки: низкая объёмная теплоёмкость, высокая наведённая активность, твёрдая фаза при комнатной температуре, нужна система подогрева.

КЖМТ относят: Bi, Pb, Li, Hg, K, Na, KNaЭВТ.

102.Теплофизические и ядернофизические свойства воды и

водяного пара.

Вода – основной т/н в ЯЭУ, т.к лучше всего изучена. Вода технологична, пожаро- и взрывобезопасна, и имеет удовлетворительные я-ф и одни из лучших теплофизических свойств. Сечение поглощения = 0,064 барна.

К воде предъявляются следующие требования:

1.Солесодержание – электропроводность. 5*10-2 мкСм/см.

2.Ионный состав – рН. При использовании Al-ых сплавов рН = 4-6, перлитных сталей рН = 9-10. При изменении рН резко усиливаются коррозионные процессы.

3.Содержание газов,контролируется системой диаэрации воды.

4.Жёсткость. От неё зависят образование накипи.

5.Содержание продуктов коррозии.

Вода имеет наибольшую теплоту парообразования, что позволяет использовать её в кипящих реакторах. Наряду с лёгкой водой используется и тяжёлая, А = 0,003 барна.

Высокое давление насыщенных паров воды которое растет с температурой, требует создания контуров рассчитаных на высокое давление, что удорожает установку и усложняет эксплуатацию. D2O в сравнении с лёгкой водой обладает несколько худшей замедляющей способностью, но зато почти не поглощает тепловые нейтроны, поэтому D2O является лучшим замедлителем чем Н2О. На D2O можно сделать реактор работающий на природном уране.

Я-ф свойства пара такие же как у воды с поправкой на плотность, однако химическая агрессивность пара намного выше чем у воды, кроме того пару свойственны некоторые реакции которые не свойственны для воды (пароцирккониевая реакция). Кипящие реакторы обладают лучшим теплоотводом за счёт использования в теплоотводе теплоты парообразования.

103. Коррозия в воде. Анодные и катодные реакции.

Коррозия – разрушение металлов вследствие протекания ф-х процессов на границе металл – среда. Большинство металлов кроме Pt, Au, частично Cu, Ag, Hg, находится в термодинамически неустойчивом состоянии, и находятся в природе в виде солей и окислов. По механизму протекания коррозию делят на химическую и электрохимическую. Химическая подчиняется чисто химическим законам и не сопровождается протеканием электрического тока. Процесс коррозии происходит за один акт. Электрохимическая сопровождается протеканием электрического тока. Идёт ионизация металла и восстановление окислителя. Процесс происходит в несколько стадий. Центральное место в эл-хим коррозии отводится двойному эл. слою, который образуется на границе металл – раствор за счёт разделения зарядов в металле и ионов противоположного знака в растворе у поверхности металла. Чем больше концентрация электролита тем ближе и плотнее они к металлу. В зависимости от условий либо катионы раствора отдают металлу свой положительный заряд, либо металл отдавая свои ионы будет заряжаться отрицательно. Образующийся слой имеет сложную структуру распределения электрического потенциала. Эту структуру можно условно разделить на две части: 1) плотный или гельмгольцевый слой, 2) рыхлый или диффузионный, отвечающий за перенос продуктов коррозии в раствор, его толщина 10-4 см, но в разбавленных электролитах может быть меньше одного микрона, а в

154

а – число Фарадея, аF – начальная активность металла..

По условиям протекания различают следующие виды эл-хим коррозии:

1.при полном или частичном погружении в электролит.

2.щелевая, которая происходит по границам трещин или поверхностям соединений.

3.коррозия при трении и кавитации.

4.коррозия под действием приложенного из вне тока, частный случай контактная коррозия.

5.коррозия под действием механических напряжений.

ВЯР наиболее опасными являются 3 и 4. Кроме этого коррозия может быть общей (по всей поверхности металла) и местной или локальной – наиболее опасная.

При эл-хим реакции протекают два взаимосвязанных процесса.

1.анодная реакция – процесс заключающийся в том что молекулы металла (электрода(анода))ионизируются потенциалом электрода и превращаясь в катионы покидают металл и переходят в воду, т.е идёт коррозия металла. Если потенциал корродирующего объекта снизить до величины некого обратного потенциала, то анодное растворение прекратится, т.к. скорость растворения компенсируется скоростью осаждения т.е на анод кроме «+» подаётся ещё и «-» который должен притягивать катионы к аноду и вызывать рекомбинацию электронов и катионов. На практике есть 2 способа обеспечения необходимой для защиты металла поляризации а) использование самопроизвольно возникающей контактной коррозии за счёт постепенно корродирующего менее благородного материала, б) приложение тока с использованием либо инертных либо расходуемых анодов. Анодная реакция – ионизация металла сопровождающаяся накоплением эквивалентного количества электронов в металле.

2.катодная реакция – взаимодействие этих электронов с молекулами или ионами коррозионной среды. Анодная защита заключается в том чтобы

155

растворённый в воде металл заставить взаимодействовать с коррозионной средой так, чтобы образовывалось нерастворимое в данной среде соединение (обычно оксид). Практически нужно подать на катод такой «+» чтобы вода у поверхности катода разлагалась на Н+ и О2- и кислород реагируя с поверхностными молекулами металла образовывал бы химически стойкую оксидную плёнку.

156

104. Свойства органических теплоносителей.

Органические теплоносители имеют ряд преимуществ перед водой: небольшое давление паров => простота конструкции контура, малая коррозионная агрессивность => дешёвые углеродистые стали для корпуса, невысокая наведённая активность =>минимальная биологическая защита.

Основные недостатки это термическая и радиационная нестойкость.

Достоинства: низкое давление насыщенных паров, что позволяет использовать менее толстые и прочные материалы, высокие температуры плавления и кипения, что даёт более высокий температурный напор и КПД. Меньшая коррозионная активность или её отсутствие, что позволяет использовать более дешёвые материалы. Отсутствие О2 в т/н способствует меньшей активации т/н и меньшей защите от ИИ. Большая компактность ЯР за счёт большого содержания Н2 и «-»-ный температурный коэффициент реактивности. Органические т/н выгодны на транспорте и в одноконтурных схемах.

Недостатки: терморадиационное разложение заставляет использовать отчищающие и подпитывающие устройства. Меньшая чем у воды т/ёмкость и т/проводность обуславливают более сложные конструкции т/обменников. Пожароопасность и токсичность.

Дифенил: С6Н5-С6Н5. самый дешёвый ОрТ/Н, но и самый плохой из-за большого содержания примесей. Не взаимодействует с металлами, но свободный Н2 образующийся при его распаде гидрирует металлические детали.

Терфенил: (С6Н5)3. Делится на орто-, мета- и паратерфенил. Давление насыщенного пара у терфенила меньше чем у дифенила, а радиационная стойкость выше чем у дифенила.

Моноизоприлдифенил: Главное достоинство низкая ТПЛАВ = -47 0С, остальные свойства близки к дифенилам.

105. Основные виды замедлителей и их свойства.

Существует 2 основных вида замедлителей:

Вода. Бывает легкая и тяжёлая. У лёгкой воды замедляющие свойства выше чем у тяжёлой, но тяжёлая вода слабее поглощает нейтроны. Так длина диффузии для Л.В составляет 2,85 см, а для Т.В 116 см, при этом возраст нейтронов в Л.В составляет 31 см2 а для Т.В 125 см2. Обычно вода в реакторах выполняет функции не только замедлителя но и теплоносителя. С ростом температуры (и падением плотности ) макросечение замедления воды уменьшается сильнее чем макросечение поглощения, что обуславливает отрицательный ТКР. Реакторы с тяжеловодным замедлителем имеют большие

157

размеры (из-за большого возраста нейтронов), но зато могут работать на природном уране (из-за большой длины диффузии, т.е. слабого поглощения) Высокое давление насыщенных паров воды которое растет с температурой и низкая температура кипения, требуют создания контуров рассчитанных на высокое давление, и не позволяют создавать высокотемпературные контуры с водой. К минусам можно также отнести и химическую активность воды, которая растет с ростом температуры и подверженность воды радиолизу.

Графит. Графит обладает меньшим, чем у Л.В но большим чем у Т.В поглощением (длина диффузии 58 см), и самым большим замедлением (возраст нейтронов 355 см2). Большой возраст обуславливает большие размеры активной зоны. Однако графит способен выдерживать высокие температуры, и именно поэтому все высокотемпературные реакторы сделаны на графитовом замедлителе. Облучение графита приводит к изменению его физико-механических свойств. Облучение снижает тепло- и электропроводность графита, увеличивает его ползучесть, которая в отсутствии облучения не наблюдается до температур 423-473 К. Графит хорошо поддаётся механической обработке. Благодаря высокой теплопроводности и низкому коэффициенту линейного расширения графит обладает хорошим сопротивлением к тепловым ударам. У графита низкая стойкость к окислению и хрупкость. Важным недостатком графита является энергия Вигнера. Эта энергия проявляется в виде дополнительного разогрева графита в случае когда температура графита становится выше той, при которой он облучался. Учёт этой энергии важен т.к. графитовым реакторам свойственен положительный ТКР.

106. Цирконий и сплавы на его основе.

Из материалов с малым сечением захвата нейтронов при температурах выше 473 К широко применяются сплавы циркония. Сечение поглощения тепловых

нейтронов 1,8*10-29 м2, плотность 6,5 г/см3, ТПЛАВ = 2118 К, ТКИП = 3873-3973 К, коэффициент линейного расширения 5,8*10-6 К-1,коэффициент

теплопроводности 23,7 Вт/(м*К). Сплавы из циркония применяются для изготовления канальных труб, участки технологических каналов активной зоны. Чистый цирконий имеет невысокую прочность и высокую коррозионную стойкость.

40Zr. Решётка ГПУ, ТПЕРЕХ = 862 0С, после перехода решётка КОЦ. ТПЛАВ = 1845 0С, ТКИП = 3650 0С, ТРЕКРИСТ = 450 0С, = 6,5 г/см3. Коэффициент теплового расширения = 5,8*10-6 -1С. в чистом виде Zr не используется.

Примесь гафния резко увеличивает сечение поглощения. А = 0,18 барн.

158

Недостатки чистого Zr: низкие механические свойства при температуре 300-

500 0С, низкая коррозионная стойкость в воде, с водой взаимодействует при

500 0С.

Сплавы Zr: а) 1-5% Nb,(2,5% Nb каналы, корпусные детали; 1% Nb оболочка ТВЭЛ). б) ожженит 0,1-0,3% Si, Fe, Ni, Nb. в) циркалой №2,3,4.

1.2% Si, 0.7% Fe, 0.05% Cz, 0.03% Ni.

Недостатки сплавов: низкая коррозионная стойкость в воде и Н2 и О2-среде, несовместимость со многими материалами (они их сорбируют), растворяется в Na, Pb, Bi, преждевременное охрупчивание, невозможность применения при

Твыше 862 0С.

107.Алюминиевые и магниевые сплавы. Их применение в ядерной

энергетике.

Al – наиболее широко распространённый конструкционный элемент, решётка КГЦ до ТПЛАВ, используется в реакторах с водой под давлением. Сечение поглощения тепловых нейтронов 2,15*10-29 м2, плотность 2,7 г/см3, ТПЛАВ = 933 К, ТКИП = 2600 К, коэффициент линейного расширения при температуре 293-873 К= 5,8*10-6 К-1,коэффициент теплопроводности при температуре 373473 К = 23,7 Вт/(м*К), малое сечение захвата тепловых нейтронов, низкая плотность, позволяют использовать его в реакторе на природном уране. Из алюминия делают оболочки твэл, канальные трубы, трубопроводы. Чистый алюминий очень пластичен и непрочен, обладает низкой коррозионной стойкостью при Т = 523-573 К.

Обладает хорошей тепло и электропроводностью. Из-за плохих механических свойств и низкой ТПЛАВ в ядерной энергетике используют сплавы алюминия. Алюминий способен создавать интерметаллические соединения UAl2, UAl3, UAl4. Al хороший утилизатор, хорошо растворяется и перемалывается. Особо важным свойством Al-сплавов является их высокая коррозионная стойкость. Сплавы из Al (Al технический, Al-Mn, Al-Mg, Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg) способны выдержать 360-380 0С при давлении 150 атмосфер.

Магний дёшев и доступен. Сечение поглощения тепловых нейтронов 5,9*10-30

м2, плотность 1,74 г/см3, ТПЛАВ = 924 К, ТКИП = 1393 К, коэффициент линейного расширения 26*10-6 К-1,коэффициент теплопроводности 158,3

Вт/(м*К). Магний обладает малой коррозионной стойкостью, склонностью к самовоспламенению, низкой температурой плавления, низкими механическими свойствами при высокой температуре. Используется как материал оболочек твэл. Чистый магний малопластичен при температуре ниже 373 К. Облучение не существенно изменяет свойства магния и его сплавов. Магний и его сплавы нестойки к атмосферной коррозии.

159

Mg – один из самых лёгких металлов, решётка ГПУ, ТПЛАВ = 651 0С, ТРЕКРИСТ = 250 0С, = 1,74 г/см3, при Т=200-300 0С горит на воздухе, образует

взрывоопасные соединения, А = 0,054 барна. В отличие от бериллия менее дорогой. Имеет плохие механические свойства (хрупкость, низкая пластичность), высокую химическую активность.

Сплавы: Магнокс Mg(0.8% Al, 0.01% Be), используется на английских

газовых ЯР, ТРАБ = 400 0С. МБ-3 (0.04% Be, 0.5% Si, 0.01% Fe, Ni, Mn). МБ-4 (0.08% Be, 0.7% Si, 0.01% Fe, Ni, Mn).

160